JP4783935B1 - 動力伝達装置及び波力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水面波が穏やかであっても効率的に水面波の上下運動を発電に用いる回転運動へと変換し、また季節や時間に影響されることなく、変換効率が安定した動力伝達装置、及びこれを用いて波力を電力へと変換する波力発電装置を提供する。
【解決手段】水面に浮き、水面波の伝わる方向に長手の胴部を有する複数の第一の浮体１２と、複数の第一の浮体１２に回転自在に架設された回転軸１と、回転軸１にワンウェイ機構を介して取り付けられた回転体２と、水面に浮き、回転体２に巻き付けられた第一のワイヤーの先端に取り付けられた第二の浮体１３と、第一のワイヤーにかかる張力を一定に維持する張力維持手段とを備え、複数の第一の浮体１２が水面波の伝わる方向と略直交する方向に一定の間隔を隔てて連結され、第二の浮体１３が第一の浮体１２間に配置されたことを特徴とする動力伝達装置１０。
【選択図】図１

Description

本願発明は、波力を伝達する動力伝達装置、及びその波力を電力へと変換する波力発電装置に関する。

従来より、水面波の上下運動を利用する波力発電が知られている。波力発電は、水面波の上下運動を回転運動に変換する動力伝達装置を用いて、発電機を駆動させることにより行われる。主な伝達装置として、水面波の上下運動により空気の流れを作り、この空気の流れによりタービンを回転させて回転運動に変換する装置（振動水柱型）、可動物体を介して水面波の上下運動を機械的な回転運動に変換する装置（可動物体型）、水面波を貯水池等に越波させて貯留し、放流することでタービンを回転させて回転運動に変換する装置（越波型）が挙げられる。

従来の可動物体型の動力伝達装置は、例えば特許文献１に示されている。この動力伝達装置は、ワイヤーの両端に設けられたフロート及び重りを、回転軸に固定された定滑車を介してつるべ式に構成したものであり、水面に浮かべられたフロートが、水面波の影響を受けて水面とともに上下運動することにより定滑車を回転させて回転軸の回転運動を得るものである。また、ラチェット機構を介して複数の動力伝達装置を同一の回転軸に連結させると、個々のフロートは不揃いに上下運動しながら協力して軸を回転させることができる。

また他の可動物体型の動力伝達装置は、特許文献２に記載されている。この動力伝達装置は、水中に設けた動滑車に水面浮体が連結され、一端を海底に固定して他端に張力維持部材を取り付けた線形部材が動滑車に掛けられて構成されたものであり、水面浮体の上下運動により滑車を回転運動させて軸の回転運動を得るものである。

しかしながら上記の動力伝達装置は、水面波が穏やかな場合には、浮体が十分に上下運動せず、発電に必要な回転運動を得ることが困難である。また、季節によって水面波の振幅や伝わる方向が大きく変動する場合において、定置される従来の動力伝達装置は、安定した浮体の上下運動を得ることが困難である。また、設置域毎に干満による水位の差（以下、干満差という）が異なるので、地域の干満差に応じて、浮体と重り又は浮体と滑車を連結するワイヤー長の調節が必要となる。

特開平２００８−１８００８６号公報 特開平２０１０−５０７０４２号公報

本願発明は上記課題に着目し、水面波が穏やかであっても効率的に水面波の上下運動を機械的な回転運動へと変換し、また、季節や時間に影響されることなく、変換効率が安定した動力伝達装置、及びこれを用いて波力を電力へと変換する波力発電装置を提供する。

上記課題を解決する為に、本願発明の動力伝達装置は、水面に浮き、水面波の伝わる方向に長手の胴部を有する単胴型の船体形状に形成した複数の第一の浮体と、前記複数の第一の浮体に回転自在に架設された回転軸と、前記回転軸にワンウェイ機構を介して取り付けられた回転体と、水面に浮き、前記回転体に巻き付けられた第一のワイヤーの先端に取り付けられ第二の浮体と、前記第一のワイヤーにかかる張力を一定に維持する張力維持手段とを備え、前記複数の第一の浮体が水面波の伝わる方向と略直交する方向に一定の間隔を隔てて連結され、前記第二の浮体が該第一の浮体間に配置され、前記張力維持手段が、前記第一のワイヤーとは逆方向に前記回転体に巻き付けられた第二のワイヤーと、該第二のワイヤーの先端に取り付けられて、該回転体から吊り下げられた重りであることを特徴とするものである。

前記第一のワイヤーが水中に配設された定滑車に掛けられたことを特徴とするものである。

前記第一の浮体が、複数の浮体を水面波の伝わる方向に連結して構成されたことを特徴とするものである。

本願発明の波力発電装置は、前記動力伝達装置の回転軸に連結された発電機を備えることを特徴とするものである。

本願発明の動力伝達装置は、水面波の伝わる方向に長手の胴部を有する複数の第一の浮体が水面波の伝わる方向に略直交して連結されているので、水面波を減衰させずに連結された第一の浮体の間へと導くことができる。また、この水面波を第一の浮体に反射し干渉させることによって、第一の浮体間に進入した水面波の上下運動の振幅を増幅し得る。したがって、第二の浮体の上下運動の振幅も増幅することとなり、波力を高効率に伝達することができる。

また、第一の浮体は干満とともに上下するため、回転体と第二の浮体との距離を一定に維持し得る。したがって、設置域の干満差に応じて、第一のワイヤーの長さを調節する必要がない。

また、第一の浮体は移動させることができるため、設置場所の選択の自由度が高い。したがって、季節や水面波の伝わる方向に応じて、その設置場所や向きを変えて高効率に波力を伝達し、発電することができる。

さらに、回転体がワンウェイ機構を介して回転軸に取り付けられているので、回転軸の回転方向を一方向に制限し得る。したがって、同一の回転軸上に複数の回転体を並設し、複数の第二の浮体を使用することで、個々の回転体が不揃いに回転しながらも協力して回転軸を回転駆動することができる。

さらに、重りと第二の浮体とが異なるワイヤーで回転体に取り付けられているので、重りと第二の浮体とが一本のワイヤーで繋がれて回転体に掛けられた場合に生じ得る回転体上でのワイヤーの滑りを防止し得る。したがって、確実に回転体を駆動することができる。

さらに、水中に配設された定滑車に第一のワイヤーが掛けられることで、第二の浮体が受ける浮力によって回転体を回転駆動することができる。したがって、第二の浮体の質量を軽量化することができる。

さらに、複数の浮体を水面波の伝わる方向に連結して第一の浮体を構成すれば、浮体の連結数を増減させて、装置の設置場所に最適な第一の浮体を構成することができる。また、この連結を解除することにより、移動、保管等の取り扱いの利便性を向上させることができる。

本発明の波力発電装置は、上記の動力伝達装置に連結し得るので、高効率に波力を電力へと変換することができる。

本願発明の動力伝達装置、及び波力発電装置の斜視図である。 本願発明の動力伝達装置、及び波力発電装置を第一の浮体間から見た側面図である。 本願発明の動力伝達装置、及び波力発電装置の一部拡大図である。 本願発明の回転体に取り付けた第二の浮体、及び重りを示した図である。 本願発明の実施例２に係る定滑車により案内された第二の浮体、及び重りを示した側面図である。 本願発明の実施例３に係る動力伝達装置、及び波力発電装置を示した斜視図である。 本願発明の実施例４に係る動力伝達装置、及び波力発電装置を示した斜視図である。

以下、図面に基づいて、本願発明の動力伝達装置、及び波力発電装置を説明する。

図１〜図４に示すように、動力伝達装置１０は、水面に浮いて水面波の伝わる方向に長手の胴部を有する複数の第一の浮体１２と、複数の第一の浮体１２に回転自在に架設された回転軸１と、ワンウェイ機構を介して回転軸１に取り付けられた回転体２と、回転体２に巻き付けられた第一のワイヤー１４の先端に取り付けられ、前記第一の浮体１２の間の水面に浮かぶ第二の浮体１３と、回転体２に取り付けられた張力維持手段３とを備えている。

第一の浮体１２は、海又は湖等の水面に浮く浮体である。第一の浮体１２は単胴型の船体形状であり、その胴部の全長Ｌは１５０ｍ、幅Ｂは２５ｍ、及び深さＤは２５ｍであるが、これに限定されることなく、その姿勢を一定に維持するために、波長に対して十分に大きな寸法であればよい。第一の浮体１２は鋼で構成されているが、これに限定されることなく、鉄や繊維強化プラスチック等であってもよい。第一の浮体１２は、胴部の長手方向（全長Ｌ）を水面波の伝わる方向に向けており、海底又は水底に固定された碇等の不図示の方向維持手段によりその方向を一定に維持している。また、３体の第一の浮体１２が、水面波の伝わる方向と略直交する方向に連結手段１５により一定の間隔を隔てて連結されているが、連結された第一の浮体１２の数は３体に限られることなく、設置場所の環境に応じて設計可能である。また、波による動揺を軽減するために、減揺タンクを第一の浮体１２に備えることが好ましい。

回転軸１は、円形棒状の軸であり、回転体２から伝達された波力を発電機６へと伝達するものである。その全長は特に限定されず、連結された第一の浮体１２の幅Ｂ及び配置の間隔に応じて設計される。回転軸１の材質は特に限定されないが、その耐久性及び動力伝達の効率性の観点から、腐食せず、軽量であることが好ましい。回転軸１は、連結された第一の浮体１２に、一方向に回転自在に架設されている。また、複数の回転軸１が第一の浮体１２の胴部の長手方向（全長Ｌ）に沿って架設可能であり、全長Ｌに応じて使用数が決定される。

図４に示すように、回転体２は、回転軸１のまわりに回転して回転軸１を回転駆動することにより第二の浮体１３から伝達された波力を回転軸１へと伝達するものである。その形状は、円柱形状であり、回転軸１を挿入する貫通孔７が、その底面の中心部から上面の中心部にかけて形成されている。回転体２はその内部に有する不図示のワンウェイ機構を介して回転軸１に取り付けられている。また、一端を回転体２に固定した第一のワイヤー１４が回転体２の周上に巻き付けられている。ワンウェイ機構は、例えばラチェット機構であり、第一のワイヤー１４を巻き付ける方向に回転体２が回転する場合には、ラチェット機構の歯車と歯止めが噛み合わず回転軸１に対して空回りする。逆に、第一のワイヤー１４を送り出す方向に回転する場合には、歯車と歯止めが噛み合って回転軸１を回転駆動する。

第二の浮体１３は、回転体２に巻き付けられた第一のワイヤー１４の先端に取り付けられている。そして、第二の浮体１３は、水面に浮き、水面波の上下運動により上昇、下降して第一のワイヤー１４を介して回転体２を回転駆動することにより波力を回転体２へと伝達するものである。第二の浮体１３は、円柱と円錐を組み合わせた形状であるが、これに限定されず、球形状、円錐形状、箱型等であってもよい。その質量は回転体２を回転駆動するために必要な重力を得るために十分なものであればよく、その体積は前記質量との関係で水面に浮くために必要な浮力を受ける体積であり、水面波の伝わる方向に対する第二の浮体１３の寸法が、水面波の波長に対して小さなものであればよい。

張力維持手段３は、第一のワイヤー１４にかかる張力を一定に維持するものである。張力維持手段３は、一端を回転体２に固定して第一のワイヤー１４とは逆方向に、回転体２の周上に巻き付けられた第二のワイヤー４と、第二のワイヤー４の他端に取り付けられて、回転体２から吊り下げられた重り５から構成される。重り５の質量は特に限定されず、第二の浮体１３よりも軽量であればよい。重り５はその質量を調節するために取り換え可能であることが好ましい。

動力伝達装置１０は、第二の浮体１３が上昇すれば、重り５が第二のワイヤー４を引き下げて回転体２を回転駆動し、第一のワイヤー１４が巻き取られる。この際、ワンウェイ機構の作用により回転体２は回転軸１に対して空回りする。逆に第二の浮体１３が下降すれば、第二の浮体１３が第一のワイヤー１４を引き下げて回転体２を回転駆動し、第二のワイヤー４が巻き取られ、重り５が引き上げられる。この際、ワンウェイ機構の作用により回転軸１が回転体２とともに回転運動する。

よって、本実施例の動力伝達装置１０は、水面波によって動揺しない複数の第一の浮体１２に対して、水面波とともに上昇、及び下降する第二の浮体１３が、第一のワイヤー１４を介して回転体２及び回転軸１を回転駆動することで、水面波の上下運動を発電機６に用いる回転運動に変換して発電機６に伝達する。

波力発電装置１１は動力伝達装置１０が有する回転軸１に連結された発電機６を備えている。

発電機６は、回転軸１から伝達された波力を電力へと変換する装置である。発電機６は回転軸１に連結され、回転軸１の使用数と同数の発電機６が使用されている。この際、使用する発電機６の入力の仕様に応じた変速機を介して回転軸１と発電機６とが連結することが好ましい。発電機６は、変換した電力の供給先に応じて、直流発電機又は交流発電機から選択可能である。

よって、波力発電装置１１は、回転軸１の回転運動を用いて発電機６により発電を行う。

本実施例の動力伝達装置１０を用いれば、水面波の伝わる方向に長手の胴部を有する複数の第一の浮体１２が水面波の伝わる方向に略直交して連結されているので、水面波を減衰させずに連結された第一の浮体１２の間へと導くことができる。また、この水面波を第一の浮体１２に反射し干渉させることによって、第一の浮体１２間に進入した水面波の上下運動の振幅を増幅し得る。したがって、第二の浮体１３の上下運動の振幅を増幅させて、波力を高効率に伝達することができる。

また、複数の第一の浮体１２が連結されることにより、水面波よる第一の浮体１２の動揺を低減させ得る。したがって、水面波の上下運動による第二の浮体１３の上下運動を損失なく回転運動へと変換することができる。

また、第一の浮体１２は、干満とともに上下するため、回転体２と第二の浮体１３との距離を一定に維持し得る。したがって、設置域の干満差に応じて、第一のワイヤー１４の長さを調節する必要がない。

また、第一の浮体１２は移動させることができるため、設置場所の選択の自由度が高い。したがって、季節や水面波の伝わる方向に応じて、その設置場所や向きを変えて高効率に波力を伝達し、発電することができる。

さらに、回転体２がワンウェイ機構を介して回転軸１に取り付けられているので、回転軸１の回転方向を一方向に制限し得る。したがって、同一の回転軸１上に複数の回転体２を並設し、各回転体２に第二の浮体１３を連結することで、個々の回転体２が不揃いに回転しながらも協力して回転軸１を回転駆動することができる。

さらに、重り５と第二の浮体１３は異なるワイヤーで回転体２に取り付けられているので、重り５と第二の浮体１３とが同一のワイヤーで繋がれて回転体２に掛けられた場合に生じ得る回転体２上でのワイヤーの滑りを防止し得る。したがって、確実に回転体２を駆動することができる。

また、重り５の質量を調節することで、第一のワイヤー１４にかかる張力を調節することができる。したがって、水面波の上下運動の振動数が低い場合には重り５を軽くすることで、第一のワイヤー１４にかかる張力を抑えて効率的に回転体２及び回転軸１を回転させることができる。

本実施例の波力発電装置１１を用いれば、上記の動力伝達装置１０に連結し得るので、高効率に波力を電力へと変換することができる。

図５に示すように、第一のワイヤー２４が水中に配設された定滑車２０に掛けられた動力伝達装置であってもよい。定滑車２０は、回転体２から鉛直方向に送り出された第一のワイヤー２４を案内するものである。定滑車２０は、第一の浮体１２から水中に設けられた架台２１に取り付けられる。同一の回転軸１上に複数の回転体２を並設し、複数の第二の浮体２３を近接して使用する場合には、隣り合う第二の浮体２３が水面波の進入方向（伝わる方向）に前後するように定滑車２０が配設される。この際、それぞれの第二の浮体２３が水面波の１／２波長の間隔で前後して配置されることが好ましい。

本実施例の動力伝達装置は、第二の浮体２３が下降すれば、重り５が第二のワイヤー４を引き下げて回転体２を回転駆動し、第一のワイヤー２４が巻き取られる。この際、ワンウェイ機構の作用により回転体２は回転軸１に対して空回りする。逆に、第二の浮体２３が上昇すれば、第二の浮体２３が第一のワイヤー２４を引き下げて回転体２を回転駆動し、第二のワイヤー４が巻き取られ、重り５が引き上げられる。この際、ワンウェイ機構の作用により回転軸１が回転体２とともに回転運動する。

本実施例の動力伝達装置を用いれば、回転体２は、第二の浮体２３が受ける浮力によって回転駆動される。したがって、第二の浮体２３の質量を軽量化することができる。

また、隣り合う第二の浮体２３が水面波の進入方向に前後して配設されるので、各第二の浮体２３に取り付けた第一のワイヤー２４のもつれを防止することができる。

また、隣り合う第二の浮体２３が水面波の１／２波長の間隔で水面波の進入方向に前後して配置されるので、第二の浮体２３が交互に上昇及び下降して回転体２を回転駆動し、回転軸１を継続して回転させることができる。

図６に示すように、本実施例の動力伝達装置３０、及び波力発電装置３１は、複数の浮体３２が連結手段３５によって水面波の伝わる方向に連結されることにより、水面波の伝わる方向に長手の胴部を有する第一の浮体１２を構成するものである。浮体３２は単胴型の船体形状であり、その胴部の全長Ｌは５０ｍ、幅Ｂは２５ｍ、及び深さＤは２５ｍであるが、これに限定されることなく、第一の浮体１２と比べて胴部の全長Ｌが短いものであればよい。

よって、本実施例の動力伝達装置３０は、複数の浮体３２が水面波の伝わる方向に連結されることで水面波による動揺を防止しつつ、水面波とともに上昇、及び下降する第二の浮体１３が、第一のワイヤー１４を介して回転体２及び回転軸１を回転駆動することで、水面波の上下運動を発電機６に用いられる回転運動に変換して発電機６に伝達する。

本実施例の動力伝達装置３０を用いれば、第一の浮体１２は複数の浮体３２を水面波の伝わる方向に連結して構成されるので、浮体３２の連結数を増減させて、装置の設置場所に最適な第一の浮体１２を構成することができる。また、連結を解除することにより、移動、保管等の取り扱いの利便性を向上させることができる。

図７に示すように、隣り合う第一の浮体１２に回転自在に架設された第一の回転軸４２と、軸芯方向を第一の浮体１２の長手方向として、第一の浮体１２上に支持され、ベベルギア４４を介して複数の第一の回転軸４２と連結した第二の回転軸４３と、を備えた動力伝達装置４０であってもよい。本実施例は、３体の浮体が水面波の伝わる方向に略直交して連結されており、第二の回転軸４３が配設された第一の浮体１２を中央に配置しているが、これに限定されることなく、２体の第一の浮体１２を連結し、片側のみに第二の回転軸４３を配設してもよい。また、３体以上の第一の浮体１２を連結する場合には、第二の回転軸４３を１体おきに配設することが好ましい。

第一の回転軸４２は、一方向に回転する円形棒状の軸であり、回転体２から伝達された波力を第二の回転軸４３へと伝達するものである。第一の回転軸４２は、連結された第一の浮体１２に架設されるものであり、第一の浮体１２の長手方向に沿って、複数の第一の回転軸４２が架設可能である。本実施例では、８本の第一の回転軸４２が配設されている。

第二の回転軸４３は、一方向に回転する円形棒状の軸であり、ベベルギア４４を介して、第一の回転軸４２と直角に連結しており第一の回転軸４２から伝達された波力を発電機６へと伝達するものである。ベベルギア４４は、第一の回転軸４２の先端に取り付けられた傘歯車と、第二の回転軸４３に取り付けられた傘歯車が歯合して構成される。複数の第一の回転軸４２が架設された場合には、同一の第二の回転軸４３上に複数の傘歯車が、各第一の回転軸４２に取り付けられた傘歯車に対応して取り付けられる。

また、本実施例の波力発電装置４１は、第二の回転軸４３に連結された発電機６を備えるものである。

本実施例の動力伝達装置４０を用いれば、水面波が穏やかで、個々の第一の回転軸４２が伝達する波力が小さくても、複数の第一の回転軸４２が協力して第二の回転軸４３を回転駆動するため、それぞれの伝達する波力を総合して、発電に十分な波力を伝達することができる。

以上、本願発明の動力伝達装置、及び波力発電装置の態様について説明したが、本願発明はその趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の知識に基づき種々の改良、修正、変形を加えた態様で実施し得るものであり、これらの態様はいずれも本願発明の範囲に属するものである。

例えば、本願発明の動力伝達装置の第一の浮体１２として、２体の船体を甲板で平行に連結した双胴船を用いてもよい。船体の長手方向を水面波の伝わる方向に向けて停泊することで、船体間に導いた水面波の振幅を増幅させて、船内で使用する電力を効率良く発電することができる。

１...回転軸
２...回転体
３...張力維持手段
４...第二のワイヤー
５...重り
６...発電機
７...貫通孔
１０、３０、４０...動力伝達装置
１１、３１、４１...波力発電装置
１２...第一の浮体
１３、２３...第二の浮体
１４、２４...第一のワイヤー
１５、３５...連結手段
２０...定滑車
２１...架台
３２...浮体
４２...第一の回転軸
４３...第二の回転軸
４４...ベベルギア

Claims (4)

1. 水面に浮き、水面波の伝わる方向に長手の胴部を有する単胴型の船体形状に形成した複数の第一の浮体と、
   前記複数の第一の浮体に回転自在に架設された回転軸と、
   前記回転軸にワンウェイ機構を介して取り付けられた回転体と、
   水面に浮き、前記回転体に巻き付けられた第一のワイヤーの先端に取り付けられ第二の浮体と、
   前記第一のワイヤーにかかる張力を一定に維持する張力維持手段と、
   を備え、
   前記複数の第一の浮体が水面波の伝わる方向と略直交する方向に一定の間隔を隔てて連結され、前記第二の浮体が該第一の浮体間に配置され、
   前記張力維持手段が、前記第一のワイヤーとは逆方向に前記回転体に巻き付けられた第二のワイヤーと、該第二のワイヤーの先端に取り付けられて、該回転体から吊り下げられた重りであることを特徴とする動力伝達装置。
2. 前記第一のワイヤーが水中に配設された定滑車に掛けられたことを特徴とする請求項１に記載の動力伝達装置。
3. 前記第一の浮体が、複数の浮体を水面波の伝わる方向に連結して構成されたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の動力伝達装置。
4. 請求項１〜請求項３のいずれかに記載の動力伝達装置を構成する前記回転軸に連結された発電機を備えることを特徴とする波力発電装置。

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